EO

Hardnekkig katalysatorprobleem na vier decennia opgelost

17 januari 2019 om 10:58 uur

De onderzoekers zagen verschillen tussen de twee verschillende soort randen (rood en blauw) die van nature voorkomen op platinakatalysatoren. Aan zo’n rand kan H2 aan de bovenzijde of onderzijde landen. Voor beide typen stapranden kunnen de wetenschappers zelf bepalen welk deel direct aan de bovenzijde reageert (zoals bij blauw geillustreerd) of eerst aan de onderzijde landt (zoals bij rood).

Leidse en Eindhovense scheikundigen hebben na decennia de discussie beëindigd over het juiste model voor de eenvoudigste chemische reactie in heterogene katalyse, die essentieel is voor brandstofcellen. Met behulp van een uniek gekromd platinaoppervlak is aangetoond welk model de reactie met waterstof correct beschrijft.


Al bijna vier decennia woedde er in de scheikundige literatuur een heftige discussie: welke van de twee bestaande modellen voor de reactie van waterstof aan een platinakatalysator is juist? Met behulp van traditionele methoden bleek dit niet aan te tonen. De Leidse chemicus Ludo Juurlink besloot met zijn promovendus Richard van Lent en Michael Gleeson van Differ een nieuwe methode te ontwikkelen om sluitend bewijs te leveren, en met succes.

 

Een trap die steeds smaller wordt

De twee bestaande modellen voor heterogene katalyse geven verschillende voorspellingen over hoe de reactie van waterstof afhangt van de structuur van het platinaoppervlak. Door middel van metingen konden de onderzoekers de reactiviteit van waterstof bepalen en daarmee bewijzen welk model correct is. Hiervoor was het gekromd platinakristal cruciaal, een primeur van een Nederlands bedrijf in Zaandam. "Doordat het platinaoppervlak gekromd is, verloopt de atomaire structuur heel geleidelijk langs het oppervlak", legt Juurlink uit. "Je kunt die structuur vergelijken met een trap, waarvan de treden naar de randen toe steeds smaller worden. In het midden lijkt het meer op een balzaal." Het bleek dat de reactiviteit van waterstof lineair afhankelijk was van hoe dicht de traptreden op elkaar zitten. Hoe verder de traptreden uit elkaar zaten, hoe minder reactief waterstof was. "En daarmee viel het model dat een niet-lineair gedrag voorspelde af."

 

Unieke mogelijkheid

Het onderzoek werd verricht in hoog vacuüm en levert belangrijke inzichten op. "We weten nu beter hoe we de snelheid van chemische reacties moeten berekenen - één van beide modellen draagt namelijk niet significant bij", zegt Juurlink. "Daarnaast weten we nu dat die gekromde kristaloppervlakken een unieke, nieuwe mogelijkheid bieden om te leren hoe chemische reacties aan oppervlakken daadwerkelijk gebeuren. Daar gaan we zeker meer onderzoek mee doen."

 

Betere katalysatoren ontwikkelen

Bijna alle grote chemische industriële processen maken gebruik van heterogene katalyse. Katalysatoren zijn soms duur en zeldzaam, zoals platina: een veelgebruikte katalysator die in brandstofcellen en uitlaatsystemen van auto's zit. "Het aparte is dat we meestal niet eens echt weten hoe en waarom dergelijke katalysatoren chemische reacties versnellen", zegt Juurlink. Beter inzicht in dit hoe en waarom zal bijdragen aan het verduurzamen van de chemische industrie. "Op basis van beter begrip van wat er op atomair niveau gebeurt, kunnen we katalysatoren ontwikkelen die voor minder energieverlies zorgen en minder afhankelijk zijn van dure en zeldzame materialen."

 

Model niet correct

 

Een katalysator versnelt een chemische reactie zonder daarbij zelf verbruikt te worden. Bij heterogene katalyse is de katalysator meestal een vaste stof en de reactanten een gas of vloeistof. Juurlink legt het verschil tussen de twee modellen uit: "De twee modellen zijn gebaseerd op verschillende aannamen over hoe kinetische energie van het waterstofmolecuul ‘weglekt' tijdens de botsing met het platinaoppervlak." Ter verduidelijking geeft hij een voorbeeld: "Als een hond in een wak zit, kan hij daar op twee manieren terecht zijn gekomen. Of hij is vanaf de kant over het ijs gegleden en in het wak gevallen, of hij is vanaf de kant direct in het wak gesprongen." Het onderzoek laat nu zien dat waterstofmoleculen voornamelijk direct vanuit het gas aan de traptredenranden van platina reageren. "Het model dat ervanuit gaat dat de meest moleculen over het vlakke platinaoppervlak ‘schaatsend' bij de randen terecht komen en dan pas reageren is daarom niet correct."

 

Gerelateerd nieuws

Hoe kun je de complexiteit van high tech systemen aanpakken?

Hoe kun je de complexiteit van high tech systemen aanpakken?

TNO, Obeo en Altran gaan samenwerken aan oplossingen voor de complexiteit van high tech systemen. Het menselijk brein kan deze volgens hen namelijk eigenlijk niet meer overzien.

Minder R&D-financiering door NL overheid en meer door Europa

Minder R&D-financiering door NL overheid en meer door Europa

Als Nederland zo doorgaat, raakt het verder achterop bij de ambitie om 2,5% van het bruto binnenlands product te besteden aan R&D. Dat stelt het Rathenau Instituut op basis van eigen onderzoek. ‘De directe…

Kas zonder gas

Kas zonder gas

Tuinbouw onder glas verbruikt veel fossiele energie. Met de spiksplinternieuwe kas All Electric in Bleiswijk wil de Wageningse universiteit (WUR) laten zien dat het ook anders kan.

Webshop

webshop

 

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Product van de maand

RSS
MGBS de slanke versie binnen de MGB serie

Ter aanvulling op de MGB serie heeft EUCHNER de MGBS uitgebracht, die uitkomst biedt op plaatsen met weinig ruimte en op...

Focus op

ABB BV
ABB BV

Machineveiligheid, systemen en componenten

B&R Industriële Automatisering BV *
B&R Industriële Automatisering BV *

Perfection in Automation

Pilz Nederland
Pilz Nederland

Voor industriële (veilige) automatiseringsoplossingen

Ringspann Benelux BV
Ringspann Benelux BV

Partner in aandrijf- en opspantechniek

Rotero Holland BV
Rotero Holland BV

Stappenmotor - Servomotor - Elektro Magneet

Tosec
Tosec

Specialist in plaatbewerking

Download gratis engineering boeken

A gratis boeken downloaden

 

Agenda

18 april 2019, Eindhoven

3i-Event 2019

Op 18 april organiseert TW voor de tweede maal het 3i-Event over Ideas, Intellectual property &...

23 april 2019, Vianen

Masterclass Machineveiligheid ( 4-dagen)

23,24,30 april en 1mei 2019

Meer agendapunten »